RU2222087C1

RU2222087C1 - Differential-phase relay

Info

Publication number: RU2222087C1
Application number: RU2002115440/09A
Authority: RU
Inventors: В.В. Березов
Original assignee: Березов Владимир Владимирович
Priority date: 2002-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2004-01-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: differential-phase relay has four comparators, reversing counter, two final elements, two AND gates, adder, subtraction unit, two short-pulse shapers, monostable multivibrator, two delay circuits, OR gate, two nonrecursive filters, and clock generator. Differential-phase relay generates error signal indicating generator and supply mains phase difference and signal showing rate of phase difference variations. EFFECT: enlarged functional capabilities of relay. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты в качестве реле разности фаз сети и генератора. The invention relates to electrical engineering and can be used in relay protection devices as a relay of the phase difference of the network and the generator.

Известно устройство, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик, дешифратор, формирователь импульсов и исполнительный элемент, выполненный в виде транзистора [1]. A device is known that contains a series-connected clock generator, a binary counter, a decoder, a pulse shaper and an actuator made in the form of a transistor [1].

Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве реле разности фаз. The disadvantage of this device is the relatively narrow functionality that does not allow its use as a phase difference relay.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее первый и второй выпрямительные блоки, выполненные в виде диодов, катод и анод которых являются соответственно клеммой напряжения генератора и клеммой напряжения сети, сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с анодом первого и с катодом второго диодов, первый и второй операционные усилители, являющиеся соответственно повторителем и компаратором, входы которых соединены с выходом сумматора, третий и четвертый диоды, аноды которых соединены с выходами первого и второго операционных усилителей соответственно, умножитель, входы которых соединены с катодами третьего и четвертого диодов, первый и второй инверторы, входы которых соединены соответственно с катодами третьего и четвертого диодов[2]. The closest in technical essence to the proposed is a device containing the first and second rectifier blocks made in the form of diodes, the cathode and anode of which are respectively the voltage terminal of the generator and the voltage terminal of the network, the adder, the first and second inputs of which are connected respectively to the anode of the first and the cathode of the second diodes, the first and second operational amplifiers, which are respectively the repeater and comparator, the inputs of which are connected to the output of the adder, the third and fourth diodes, anodes otorrhea connected to outputs of the first and second operational amplifiers respectively, a multiplier whose inputs are connected to the cathodes of the third and fourth diodes, a first and second inverters whose inputs are respectively connected to the cathodes of the third and fourth diodes [2].

Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно вырабатывает сигнал примерного равенства амплитуды напряжений сети и генератора, что указывает на временной интервал возможной подстройки фазы генератора к фазе сети, но не вырабатывает сигнала допустимого (или недопустимого) рассогласования фаз генератора и сети в интервале возможной подстройки. The disadvantage of the closest technical solution is the relatively narrow functionality, since it generates a signal of approximate equality of the amplitude of the voltage of the network and the generator, which indicates the time interval of a possible adjustment of the phase of the generator to the phase of the network, but does not produce a signal of permissible (or unacceptable) mismatch between the phases of the generator and the network in the range of possible adjustment.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей. The technical result of the invention is the expansion of functionality.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее сумматор и первый компаратор, введены второй компаратор, вход которого является входом для подключения напряжения внешнего генератора, первый и второй элементы И, первые входы которых соединены с выходом второго компаратора, реверсивный счетчик, входы сложения и вычитания которого соединены с выходами соответственно первого и второго элементов И, блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход соединен с первым входом сумматора, первый нерекурсивный фильтр, информационный вход которого соединен с выходом сумматора, а выход соединен со вторыми входами сумматора и блока вычитания, второй нерекурсивный фильтр, информационный вход которого соединен с выходом блока вычитания, а выход является выходом для подключения сигнала, характеризующего скорость изменения разности фаз, третий и четвертый компараторы, первые входы которых соединены с выходом первого нерекурсивного фильтра, а вторые входы являются входами задания порогов срабатывания реле разности фаз, первый и второй исполнительные элементы, входы которых соединены с выходами соответственно третьего и четвертого компараторов, последовательно соединенные формирователь короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом первого компаратора, вход которого является входом для подключения напряжения сети, а выход формирователя короткого импульса по переднему фронту соединен со вторым входом второго элемента И, и первый элемент задержки, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И, последовательно соединенные формирователь короткого импульса по заднему фронту, вход которого соединен с выходом первого компаратора, а выход соединен с управляющими входами первого и второго нерекурсивных фильтров, второй элемент задержки и элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом установки в ноль реверсивного счетчика, и одновибратор, выход которого соединен с входом запуска генератора тактовых импульсов, со вторым входом элемента ИЛИ и с входами установки в ноль первого и второго нерекурсивных фильтров. This technical result is achieved by the fact that a second comparator is introduced into the device containing the adder and the first comparator, the input of which is an input for connecting the voltage of an external generator, the first and second elements And, the first inputs of which are connected to the output of the second comparator, a reversible counter, the addition inputs and subtracting which is connected to the outputs of the first and second elements AND, respectively, a subtraction unit, the first input of which is connected to the output of the reversible counter, and the output is connected to the first input of the sums RA, the first non-recursive filter, the information input of which is connected to the output of the adder, and the output is connected to the second inputs of the adder and the subtraction unit, the second non-recursive filter, the information input of which is connected to the output of the subtraction unit, and the output is an output for connecting a signal characterizing the rate of change of the difference phases, the third and fourth comparators, the first inputs of which are connected to the output of the first non-recursive filter, and the second inputs are inputs of the thresholds for the operation of the phase difference relay, per the second and second actuators, the inputs of which are connected to the outputs of the third and fourth comparators, respectively, the shaper of a short pulse along the leading edge, the input of which is connected to the output of the first comparator, the input of which is the input for connecting the mains voltage, and the output of the short pulse shaper on the front the front is connected to the second input of the second element And, and the first delay element, the output of which is connected to the second input of the first element And, the clock generator and pulses, the output of which is connected to the third inputs of the first and second elements AND, serially connected shaper of a short pulse on the trailing edge, the input of which is connected to the output of the first comparator, and the output is connected to the control inputs of the first and second non-recursive filters, the second delay element and the OR element, the output of which is connected to the installation input to the zero of the reversible counter, and the one-shot, the output of which is connected to the start input of the clock generator, with the second input of the OR element and with the inputs setting to zero the first and second non-recursive filters.

Кроме того, формирователь короткого импульса по переднему фронту предназначен для вырабатывания импульса длительностью в четверть периода напряжения сети, а первый элемент задержки задерживает указанный импульс на четверть периода напряжения сети. In addition, the short-pulse shaper along the leading edge is designed to generate a pulse with a duration of a quarter of the network voltage period, and the first delay element delays the specified pulse by a quarter of the network voltage period.

Кроме того, второй элемент задержки обеспечивает задержку сигнала с выхода формирователя короткого импульса по заднему фронту на интервал, достаточный для сдвига информации в первом и втором нерекурсивных фильтрах. In addition, the second delay element provides a delay of the signal from the output of the shorter pulse generator on the trailing edge by an interval sufficient to shift the information in the first and second non-recursive filters.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема реле разности фаз, на фиг. 2 - первого и второго нерекурсивных фильтров, на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие их работу. Fig. 1 is an electrical block diagram of a phase difference relay; 2 - the first and second non-recursive filters, figure 3 - timing diagrams explaining their operation.

Реле разности фаз (фиг.1) содержит первый компаратор 1, вход которого является входом для подключения напряжения сети, второй компаратор 2, вход которого является входом для подключения напряжения внешнего генератора, первый 3 и второй 4 элементы И, первые входы 1 которых соединены с выходом второго компаратора 2, реверсивный счетчик 5, входы суммирования и вычитания которого соединены с выходами соответственно первого 3 и второго 4 элементов И, последовательно соединенные блок 6 вычитания, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 5, сумматор 7 и первый нерекурсивный фильтр 8, выход которого соединен со вторыми входами сумматора 7 и блока 6 вычитания, второй нерекурсивный фильтр 9, информационный вход которого соединен с выходом блока 6 вычитания, а выход является выходом скорости изменения разности фаз, третий 10 и четвертый 11 компараторы, первые входы которых соединены с выходом первого нерекурсивного фильтра 8, а вторые входы являются входами задания порогов срабатывания реле разности фаз, первый 12 и второй 13 исполнительные элементы, входы которых соединены с выходами соответственно третьего 10 и четвертого 11 компараторов, последовательно соединенные формирователь 14 короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом первого компаратора 1, а выход соединен со вторым входом второго элемента И 4, и первый элемент задержки 15, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И 3, генератор 16 тактовых импульсов, выход которого соединен с третьими входами первого 3 и второго 4 элементов И, последовательно соединенные формирователь 17 короткого импульса по заднему фронту, вход которого соединен с выходом первого компаратора 1, а выход соединен с управляющими входами первого 8 и второго 9 нерекурсивных фильтров, второй элемент задержки 18, выход которого соединен с первым входом элемента ИЛИ 19, выход которого соединен с входом установки в ноль реверсивного счетчика 5, и одновибратор 20, выход которого соединен с входом запуска генератора 16 тактовых импульсов, со вторым входом элемента ИЛИ 19 и с входами установки в ноль первого 8 второго 9 нерекурсивных фильтров. The phase difference relay (Fig. 1) contains a first comparator 1, the input of which is an input for connecting the mains voltage, a second comparator 2, whose input is an input for connecting the voltage of an external generator, the first 3 and second 4 elements And, the first inputs 1 of which are connected to the output of the second comparator 2, a reversible counter 5, the inputs of the summation and subtraction of which are connected to the outputs of the first 3 and second 4 elements And, respectively, sequentially connected to the subtraction unit 6, the first input of which is connected to the output of the reverse 5, the adder 7 and the first non-recursive filter 8, the output of which is connected to the second inputs of the adder 7 and the subtraction unit 6, the second non-recursive filter 9, the information input of which is connected to the output of the subtraction unit 6, and the output is the output of the rate of change of the phase difference, third 10 and the fourth 11 comparators, the first inputs of which are connected to the output of the first non-recursive filter 8, and the second inputs are inputs of the thresholds for the operation of the phase difference relay, the first 12 and second 13 actuators, the inputs of which are connected to the outputs of the third 10 and fourth 11 comparators, respectively, connected in short pulse shaper 14 on the leading edge, the input of which is connected to the output of the first comparator 1, and the output is connected to the second input of the second element And 4, and the first delay element 15, the output of which is connected to the second the input of the first element And 3, the generator 16 clock pulses, the output of which is connected to the third inputs of the first 3 and second 4 elements And, connected in series shaper 17 short pulse on the trailing edge, the stroke of which is connected to the output of the first comparator 1, and the output is connected to the control inputs of the first 8 and second 9 non-recursive filters, the second delay element 18, the output of which is connected to the first input of the OR element 19, the output of which is connected to the installation input to zero of the reverse counter 5, and a one-shot 20, the output of which is connected to the start input of the clock generator 16, with the second input of the OR element 19 and with the inputs of setting to zero the first 8 of the second 9 non-recursive filters.

Первый 8 и второй 9 нерекурсивные фильтры (фиг.2) содержат регистр 21 сдвига, информационный вход, вход установки в ноль и управляющий вход которого являются соответственно информационным входом, входом установки в ноль и управляющим (тактовым) входом неркурсивного фильтра, а выходы регистра 21 сдвига через соответствующие им умножители группы умножителей 22 на величину, обратно пропорциональную числу ячеек (выходов) регистра сдвига 21, соединены с соответствующими входами сумматора 23, выход которого является выходом нерекурсивного фильтра. The first 8 and second 9 non-recursive filters (Fig. 2) contain a shift register 21, an information input, a zero input and a control input of which are respectively an information input, a zero input and a control (clock) input of a non-recursive filter, and the outputs of the register 21 the shift through the corresponding multipliers of the group of multipliers 22 by an amount inversely proportional to the number of cells (outputs) of the shift register 21, connected to the corresponding inputs of the adder 23, the output of which is the output of a non-recursive filter.

Формирователь 14 вырабатывает импульс длительностью в четверть периода напряжения сети в конце каждого перепада сигнала на выходе первого компаратора с уровня логического нуля на уровень логической единицы, а формирователь 17 вырабатывает короткий импульс - при перепаде с уровня логической единицы на уровень логического нуля. Первый элемент задержки 15 рассчитан на задержку сигнала на четверть периода напряжения сети, а второй элемент задержки 18 - на малый интервал, длительность которого достаточна для управления (сдвиг информации) в первом 8 и втором 9 нерекурсивных фильтрах. Первый 12 и второй 13 исполнительные элементы могут быть выполнены в виде обмотки реле с соответствующими контактами, зажимы которой непосредственно или через усилитель соединены с выходами соответствующих третьего 10 или четвертого 11 компараторов. Остальные блоки устройства являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания блоков на чертеже опущены, как несущественные. Shaper 14 generates a pulse with a duration of a quarter of the network voltage period at the end of each signal difference at the output of the first comparator from the logic zero level to the logical unit level, and driver 17 generates a short pulse when it changes from the logical unit level to the logical zero level. The first delay element 15 is designed to delay the signal by a quarter of the mains voltage period, and the second delay element 18 is designed for a short interval, the duration of which is sufficient for control (information shift) in the first 8 and second 9 non-recursive filters. The first 12 and second 13 actuators can be made in the form of a relay coil with corresponding contacts, the clamps of which are directly or through an amplifier connected to the outputs of the corresponding third 10 or fourth 11 comparators. The remaining units of the device are standard units of electrical engineering. The power circuits of the blocks in the drawing are omitted as non-essential.

На фиг. 3,а представлены временные диаграммы сигналов на выходе первого компаратора 1 (Uc) (фиг.3,а) и на выходе второго компаратора 2 (Uг) при совпадении фаз напряжений сети и генератора (фиг.2,б), при отставании фазы напряжения генератора (фиг.2,в) и при опережении (фиг.2,г). In FIG. 3a shows time diagrams of the signals at the output of the first comparator 1 (Uc) (Fig. 3, a) and at the output of the second comparator 2 (Ug) when the phases of the mains voltage and the generator coincide (Fig. 2, b), when the voltage phase lags generator (figure 2, c) and ahead of (figure 2, g).

Работает реле разности фаз следующим образом. The phase difference relay operates as follows.

Сигналы напряжений сети Uc и внешнего генератора Uг поступают на входы соответственно первого 1 и второго 2 компараторов с нулевыми пороговыми уровнями. На выходе первого компаратора 1 сигнал логической единицы с длительностью половина периода формируется при положительной полуволне напряжения сети, а на выходе второго компаратора 2 - при положительной полуволне напряжения внешнего генератора. The voltage signals of the network Uc and the external generator Ug are supplied to the inputs of the first 1 and second 2 comparators with zero threshold levels, respectively. At the output of the first comparator 1, a signal of a logical unit with a duration of half a period is formed with a positive half-wave of the mains voltage, and at the output of the second comparator 2, with a positive half-wave of the voltage of the external generator.

При включении реле разности фаз напряжение питания подается на вход одновибратора 20, который обнуляет реверсивный счетчик 5, первый 8 и второй 9 нерекурсивные фильтры и запускает генератор 16 тактовых импульсов. При положительной полуволне напряжения сети, когда срабатывает формирователь 14 и на его выходе формируется сигнал с уровнем логической единицы и длительностью в четверть периода напряжения сети, импульсы генератора 16 поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика 5 через второй элемент И 4 при наличии в этот же период сигнала логической единицы, который вырабатывается вторым компаратором 2 при положительной полуволне напряжения внешнего генератора. Поскольку первый элемент задержки 15 задерживает импульс с выхода формирователя 14 на четверть периода напряжения сети, то на суммирующий вход реверсивного счетчика 5 поступают импульсы генератора 16 в течение второй четверти длительности импульса на выходе первого компаратора 1, когда в этот же период имеется положительная полуволна напряжения внешнего генератора. По заднему фронту импульса с выхода первого компаратора 1 содержимое реверсивного счетчика переписывается без изменений в первый нерекурсивный фильтр, поскольку на вторые входы блока вычитания 6 и сумматора 7 поступают одинаковые сигналы. После этого содержимое реверсивного счетчика 5 обнуляется. Таким образом, в первом нерекурсивном фильтре 8 формируется усредненное (на фиксированном по длительности скользящем временном интервале) значение сигнала, пропорциональное разности интервалов времени, в течение которого положительная полуволна (полупериод) напряжения внешнего генератора совпадает с первой и второй половинами положительной полуволны (полупериодом) напряжения сети. Когда фазы напряжений близки (фиг.2,а, б), то сигнал на выходе первого нерекурсивного фильтра 8 близок к нулю. При существенных отличиях фаз срабатывает третий 10 или четвертый 11 компараторы, что приводит к срабатыванию первого 12 или второго 13 исполнительных элементов соответственно. When you turn on the phase difference relay, the supply voltage is supplied to the input of a single-shot 20, which resets the reversible counter 5, the first 8 and second 9 non-recursive filters and starts the clock generator 16. With a positive half-wave of the mains voltage, when the driver 14 is activated and a signal is generated at its output with a logic unit level and a duration of a quarter of the mains voltage period, the pulses of the generator 16 are fed to the subtracting input of the reverse counter 5 through the second element And 4 if there is a signal in the same period logical unit, which is generated by the second comparator 2 with a positive half-wave voltage of the external generator. Since the first delay element 15 delays the pulse from the output of the shaper 14 by a quarter of the network voltage period, the pulses of the generator 16 arrive at the summing input of the reverse counter 5 during the second quarter of the pulse duration at the output of the first comparator 1, when there is a positive half-wave of external voltage in the same period generator. On the trailing edge of the pulse from the output of the first comparator 1, the contents of the reverse counter are copied without changes to the first non-recursive filter, since the same inputs are received at the second inputs of the subtraction unit 6 and the adder 7. After that, the contents of the reverse counter 5 is reset. Thus, in the first non-recursive filter 8, an average signal is generated (on a fixed-moving time interval) of the signal proportional to the difference in time intervals during which the positive half-wave (half-period) of the voltage of the external generator coincides with the first and second halves of the positive half-wave (half-period) of the voltage network. When the voltage phases are close (Fig.2, a, b), the signal at the output of the first non-recursive filter 8 is close to zero. With significant phase differences, the third 10 or fourth 11 comparators are triggered, which leads to the triggering of the first 12 or second 13 actuators, respectively.

Одновременно с этим сигнал с выхода блока 6 вычитания, который пропорционален разности усредненной оценки разности фаз и текущего значения разности фаз, поступает во второй нерекурсивный фильтр 9, в котором формируется усредненное значение скорости изменения разности фаз напряжения сети и внешнего генератора на скользящем фиксированном интервале усреднения. At the same time, the signal from the output of the subtraction unit 6, which is proportional to the difference between the average estimate of the phase difference and the current value of the phase difference, enters the second non-recursive filter 9, in which an average value of the rate of change of the phase difference of the voltage of the network and the external generator is generated over a moving fixed averaging interval.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку оно вырабатывает не только сигнал разности фаз сети и внешнего генератора, при недопустимой величине которой срабатывает реле, но и сигнал скорости изменения разности фаз. Thus, the proposed device has wider functional capabilities, since it generates not only the phase difference signal of the network and the external generator, at an invalid value of which the relay is triggered, but also the signal of the rate of change of the phase difference.

Источники информации
1. Электротехнический справочник, в 4-х томах, т.2. Электротехнические изделия и устройства. Под общей редакцией В.Г. Герасимова и др. - М.: Издательство МЭИ, 1998 г., с. 390, рис. 35.10.Sources of information
1. Electrical reference book, in 4 volumes, t.2. Electrical products and devices. Under the general editorship of V.G. Gerasimova et al. - Moscow: Publishing House MPEI, 1998, p. 390, fig. 35.10.

2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с. 355, рис. 12.16. 2. Andreev V.A. Relay protection and automation of power supply systems. - M.: Higher School, 1991, p. 355, fig. 12.16.

Claims

1. Phase difference relay containing an adder and a first comparator, characterized in that a second comparator is introduced, the input of which is an input for connecting the voltage of an external generator, the first and second elements And, the first inputs of which are connected to the output of the second comparator, a reversible counter, addition inputs and the subtraction of which is connected to the outputs of the first and second elements AND, the subtraction unit, the first input of which is connected to the output of the reversible counter, and the output is connected to the first input of the adder, the first non-recourse a third filter, the information input of which is connected to the output of the adder, and the output is connected to the second inputs of the adder and the subtraction unit, the second non-recursive filter, the information input of which is connected to the output of the subtraction unit, and the output is an output for connecting a signal characterizing the rate of change of the phase difference, third and the fourth comparators, the first inputs of which are connected to the output of the first non-recursive filter, and the second inputs are inputs of the thresholds for the operation of the phase difference relay, the first and second solid elements, the inputs of which are connected to the outputs of the third and fourth comparators, a shorter pulse generator along the leading edge, the input of which is connected to the output of the first comparator, and the first delay element, the input of the first comparator is an input for connecting the mains voltage, the output of the short pulse shaper on the leading edge connected to the second input of the second element And, the output of the first delay element is connected to the second input of the first element And, the generator pulses, the output of which is connected to the third inputs of the first and second elements And, serially connected shaper of a short pulse on the trailing edge, the input of which is connected to the output of the first comparator, the second delay element and the element OR, the output of the shaper of short pulse on the trailing edge is connected to the control inputs of the first and second non-recursive filters, the output of the OR element is connected to the installation input at zero of the reversible counter, a single-shot, the output of which is connected to the generator start input the documentary pulses to a second input of the OR gate and the inputs setting to zero the first, second non-recursive filters.

2. The relay according to claim 1, characterized in that the driver of a short pulse on the leading edge is designed to generate a pulse lasting a quarter of the period of the mains voltage, and the first delay element delays the specified pulse by a quarter of the period of the mains voltage.

3. The relay according to claim 1 or 2, characterized in that the second delay element provides a delay signal from the output of the shaper of the short pulse on the trailing edge by an interval sufficient to shift the information in the first and second non-recursive filters.